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Fast high-dimensional mean testing via logistic regression

作者: Sayan Das, Debraj Das, Subhajit Dutta
主题: 数理统计 / 假设检验
相关性: 8/10
链接: https://arxiv.org/abs/2608.20286


一、领域脉络与小综述

这个方向是什么

这个子方向解决的根本问题是:在数据维度p远大于样本量n的高维场景下,如何检验两个或多个总体的均值向量是否相等。经典方法(如Hotelling's T²)在p > n时因样本协方差矩阵奇异而失效。当前主流方法分为几类:基于标准化样本均值距离的检验(如Chen & Qin 2010)、基于投影的检验(如Huang 2015)、基于协方差/精度矩阵估计的检验(如Cai et al. 2014, Yang et al. 2024),以及基于置换/自助法的检验(如Xue & Yao 2020, Kong et al. 2022)。该领域已相当成熟,但计算可扩展性与对异方差/非高斯分布的鲁棒性仍是瓶颈。

发展脉络

  • 奠基工作:Bai & Saranadasa (1996) 将Hotelling's T²推广到高维,提出了一个基于样本均值差的标准化统计量,开启了高维均值检验的现代研究。
  • 主要进展:
  • Chen & Qin (2010) 提出了一个不直接估计协方差矩阵的检验(CQ检验),通过U-统计量技巧避免了高维协方差估计,允许两组协方差不等(通过共同潜因子或线性变换表示),但保留了共同的标准化潜结构。
  • Cai et al. (2014) 提出了一个基于精度矩阵估计的检验,在稀疏精度矩阵假设下达到了minimax最优分离速率,但计算代价高(需估计p×p精度矩阵)。
  • Huang (2015) 提出了最优投影检验(OP检验),通过寻找最大化均值差异的投影方向来提升功效,但其非高斯理论要求共同协方差矩阵。
  • Xue & Yao (2020) 提出了一个基于自助法sup-norm统计量的检验(XY检验),在坐标矩条件和指数尾条件下工作,不要求共同分布假设。
  • Kong et al. (2022) 提出了基于置换的检验(ES检验),在指数尾条件下一致,但其Hotelling-T²版本额外要求全协方差矩阵的特征值一致有界。
  • 当前frontier:Feng et al. (2024) 利用和与最大值的渐近独立性构造检验;Yang et al. (2024) 在线性结构假设下基于正则化精度矩阵估计提出相关感知检验。
  • 本文位置:本文提出一个全新的思路——将均值检验等价转化为逻辑回归参数为零的检验。这个转化使得可以利用逻辑Lasso进行变量筛选,然后在降维后的空间做推断,完全避免估计或求逆高维协方差矩阵。作者声称该方法在计算效率、对异方差/非高斯分布的鲁棒性、以及多总体推广方面具有优势。

子线索聚类

这些被引文献大致落在三条子线索上:

  1. 基于标准化均值距离的检验(CQ, Bai & Saranadasa):直接比较样本均值,通过U-统计量或去交叉项技巧避免协方差估计。优点是计算快,缺点是对变量间依赖利用不充分,在强相关下功效可能下降。
  2. 基于协方差/精度矩阵估计的检验(Cai et al. 2014, Yang et al. 2024):通过估计协方差或精度矩阵来利用变量间依赖。优点是理论上可达到更优的分离速率,缺点是计算代价高(尤其当p很大时),且对稀疏性假设敏感。
  3. 基于投影/置换/自助法的检验(Huang 2015, Xue & Yao 2020, Kong et al. 2022):通过寻找最优投影方向或利用重抽样来构造检验。优点是灵活性高,缺点是计算代价高(尤其自助法),且对分布假设敏感。

这个方向在追问的核心问题

  1. 如何在不估计高维协方差矩阵的前提下,有效利用变量间依赖信息? 当前主流方法要么忽略依赖(CQ),要么需要估计协方差/精度矩阵(Cai et al. 2014),要么依赖特定结构假设(Yang et al. 2024)。
  2. 如何构造对异方差和非高斯分布鲁棒的检验? 许多现有方法要求共同协方差矩阵(Huang 2015)或指数尾条件(Xue & Yao 2020, Kong et al. 2022),在异方差或重尾分布下表现不佳。
  3. 如何实现计算可扩展性? 当p达到数万时,许多现有方法(如基于精度矩阵估计或大量自助重抽样的方法)的计算代价变得不可接受。
  4. 如何自然推广到多总体(K≥2)情形? 大多数方法专注于两样本,多总体推广往往需要重新设计统计量或依赖更严格的假设。

⚠️ 作者的framing

作者将缺口frame成:"现有方法要么计算代价高(需估计协方差/精度矩阵),要么对分布假设敏感(要求共同协方差或指数尾),而我们的方法通过逻辑回归转化,同时解决了计算效率和鲁棒性问题。" 作者淡化了以下竞争路线: - debiased Lasso方法(Ma et al. 2021):作者在2.2节末尾提到"基于debiased Lasso的检验计算会很慢",但未提供具体比较。这值得研究者去查:debiased Lasso在逻辑回归中的计算代价是否真的比本文的两步法高很多? - 基于U-统计量的方法(Chen & Qin 2010):作者在模拟中将其作为baseline,但未讨论其理论优势(如不要求稀疏性)。

什么明显该被引/该存在、却没出现在intro里? - Baraud (2002) 关于非渐近minimax检验速率的奠基性工作——本文的minimax分析(Theorem 2.3)直接依赖其框架(Lemma 9),但intro未引用。 - Fan & Fan (2008) 关于高维分类中稀疏判别集与信号集关系的论文——本文在2.3节讨论稀疏判别集时引用了它,但intro未提及。 - Ma et al. (2021) 关于高维逻辑回归全局假设检验的论文——本文在2.2节末尾提到它,但intro未将其作为主要竞争方法讨论。

张力

未见明显对立引用。各方法在不同假设下各有优劣,但不存在根本性矛盾。一个值得注意的张力是:CQ检验允许协方差不等(通过共同潜因子),而Huang (2015)的非高斯理论要求共同协方差——这暗示了在异方差下,不同方法可能给出相反结论。

二、最核心、最简单的例子 / 数学问题

第一步:符号、模型、可观测数据交代清楚

符号: - \(X_1, \ldots, X_{n_1} \in \mathbb{R}^p\):来自总体1的样本,iid,分布\(F_1\),均值\(\mu_1\)。 - \(Y_1, \ldots, Y_{n_2} \in \mathbb{R}^p\):来自总体2的样本,iid,分布\(F_2\),均值\(\mu_2\)。 - \(n = n_1 + n_2\):总样本量。 - \(p\):数据维度(可远大于n)。 - \(\pi_1, \pi_2\):总体1和2的先验概率(\(\pi_1 + \pi_2 = 1\)),用\(n_1/n, n_2/n\)估计。 - \(z_i\):样本i的总体指示变量,\(z_i = 0\)若来自总体1,\(z_i = 1\)若来自总体2。 - \(W_i\):合并后的协变量向量,\(W_i = X_i\)(若\(z_i=0\)),\(W_i = Y_{i-n_1}\)(若\(z_i=1\))。 - \(\dot{W}_i = (1, W_i^\top)^\top\):带截距项的协变量向量。 - \(\beta = (\beta_0, \beta_1, \ldots, \beta_p)^\top \in \mathbb{R}^{p+1}\):逻辑回归参数向量。 - \(\beta^{(1)} = (\beta_1, \ldots, \beta_p)^\top\):逻辑回归的斜率参数。 - \(A_n = \{0 \leq j \leq p : \beta_j \neq 0\}\):真实非零回归系数的集合(活跃集)。 - \(\tilde{A}_n\):基于逻辑Lasso估计的活跃集。 - \(\hat{\beta}_n\):两步估计量(post-Lasso逻辑回归估计量)。 - \(\lambda_n\):Lasso惩罚参数。 - \(\kappa\):sub-Weibull尾参数(\(\kappa=2\)对应sub-Gaussian,\(\kappa=1\)对应sub-Exponential)。

模型: - 数据生成机制:\(X_i \sim F_1\),\(Y_j \sim F_2\),\(F_1\)和\(F_2\)可以不同(除均值外)。 - 逻辑回归模型:\(\log \frac{P(z=1|W)}{1-P(z=1|W)} = \log(\pi_2/\pi_1) + \beta_0 + \beta^{(1)\top}W\)。 - 关键:\(\beta\)被定义为总体逻辑评分方程的解(即伪真最小化器),因此条件类概率不必服从正确的线性逻辑模型。这使等价性(Proposition 1)在一般分布下成立。

可观测数据: - 可观测:\(\{(z_i, W_i)\}_{i=1}^n\),即每个样本的总体标签和协变量向量。 - 想要但观测不到:\(\mu_1 - \mu_2\)(均值差),以及\(\beta\)(逻辑回归参数)。 - 核心识别假设:\(\mu_1 = \mu_2 \iff \beta = 0\)(Proposition 1),将不可直接检验的均值相等问题转化为可检验的逻辑参数为零问题。

第二步:讲最小内核

最简特例:对称分布、等先验概率(\(\pi_1 = \pi_2 = 1/2\))、绝对连续分布。

在这个特例下,Proposition 1的证明就是整篇论文的最小内核。它展示了核心思路:均值相等与逻辑参数为零的等价性。

证明(最简特例):

  1. (\(\beta=0 \Rightarrow \mu_1 = \mu_2\)):若\(\beta=0\),则逻辑评分方程为:

    \[0 = E[(z - 1/2)W] = \frac{1}{4}(\mu_2 - \mu_1)\]
    因此\(\mu_1 = \mu_2\)。

  2. (\(\mu_1 = \mu_2 \Rightarrow \beta=0\)):假设\(\mu_1 = \mu_2\)。逻辑评分方程为:

    \[E\left[ \left( -\frac{\exp(\beta_0 + X_1^\top \beta^{(1)})}{1 + \exp(\beta_0 + X_1^\top \beta^{(1)})} \right) \begin{pmatrix} 1 \\ X_1 \end{pmatrix} + \left( \frac{1}{1 + \exp(\beta_0 + Y_1^\top \beta^{(1)})} \right) \begin{pmatrix} 1 \\ Y_1 \end{pmatrix} \right] = 0\]
    显然\(\beta=0\)是一个解。需要证明它是唯一解。

假设\(\beta^{(1)} \neq 0\)。由于分布对称且绝对连续,\((X_1 - \mu_1)^\top \beta^{(1)}\)和\((Y_1 - \mu_1)^\top \beta^{(1)}\)(因为\(\mu_1 = \mu_2\))的分布关于0对称。令\(f_1, f_2\)为它们的密度,\(f_{1,2} = (f_1 + f_2)/2\)。

从评分方程可推导出(经过变量变换):

\[\int_{-\infty}^\infty \frac{1 - \exp(y)}{1 + \exp(y)} f_{1,2}(y - \beta_0 - \beta^{(1)\top}\mu_1) dy = 0\]
由于\(\frac{1 - \exp(\cdot)}{1 + \exp(\cdot)}\)是奇函数,且\(f_{1,2}\)关于0对称,可得\(\beta_0 + \beta^{(1)\top}\mu_1 = 0\)。

进一步推导可得:

\[\int_{-\infty}^\infty y \frac{1 - \exp(y)}{1 + \exp(y)} f_{1,2}(y) dy = 0\]
但函数\(z \frac{1 - \exp(z)}{1 + \exp(z)}\)是非正的偶函数,而\(f_{1,2}\)是密度函数,因此该积分严格为负(除非\(f_{1,2}\)退化,但分布非退化)。矛盾。因此\(\beta^{(1)} = 0\),进而\(\beta_0 = 0\)。

这个最小内核说明了什么: - 核心数学困难:证明均值相等蕴含逻辑参数为零,需要利用分布的对称性和评分方程的结构,通过奇偶性论证排除非零解。 - 关键想法:将均值检验转化为逻辑回归参数检验,利用了逻辑回归的评分方程与均值差的代数关系。 - 一般情形(非对称、不等先验)的证明在附录中,思路类似但更复杂。

三、这篇论文做了什么

三句话

  1. 研究问题:提出一类计算高效的高维均值向量相等性检验方法,适用于两样本和多样本(K≥2)情形。
  2. 核心工具/方法:将均值相等问题等价转化为逻辑回归参数为零的检验(Proposition 1 & 2),然后使用逻辑Lasso筛选重要变量,再在降维后的变量集上做无惩罚逻辑回归推断(两步法:D3),并提出了基于标签置换的自适应惩罚参数选择方案(D3op)。
  3. 主要结论:在sub-Weibull尾条件和稀疏判别集假设下,检验具有渐近正确大小(Theorem 2.1 & 3.1)和一致性(Theorem 2.2 & 3.1);在指定的二元高斯子模型下,检验达到了minimax可分离速率\(\sqrt{\log p / n}\)(Theorem 2.3)。

关键设定与假设

在第二节最小记号的基础上,补全完整设定:

  • 数据生成:\(X_1, \ldots, X_{n_1} \sim F_1\),\(Y_1, \ldots, Y_{n_2} \sim F_2\),iid within each population。\(F_1\)和\(F_2\)可以不同(除均值外)。
  • 尾条件:分布为sub-Weibull,即\(\max_{1 \leq i \leq n} \max_{1 \leq j \leq p} \|W_{ij}\|_{\psi_\kappa} < C\),其中\(\kappa \in (0, 2]\)。这包含sub-Gaussian (\(\kappa=2\))和sub-Exponential (\(\kappa=1\))作为特例,且允许更重的尾(\(\kappa < 1\))。
  • 稀疏性假设:逻辑回归参数\(\beta\)是稀疏的,即活跃集大小\(p_0 = \|\beta\|_0 - 1\)远小于p。注意:稀疏性施加在判别参数\(\beta\)上,而非直接施加在均值差\(\mu_1 - \mu_2\)上。因此,即使均值差是稠密的,只要判别集稀疏,方法仍有效。
  • 强不可表示条件(A.1/C.1):\(\max_{j \notin A_n} | (E L_{21,n})^\top_{j\cdot} (E L_{11,n})^{-1} \text{sgn}(\beta^{(1)}) | \leq 1 - \tau\)。这是Lasso变量选择一致性的标准条件(Zhao & Yu 2006, Wainwright 2009),几乎必要。
  • 设计矩阵条件(A.2/C.2):\((E L_{11,n})^{-1}\)的\(\ell_\infty\)范数以\(n^{a_1}\)增长(允许缓慢发散),且其对角元有正下界。这保证MLE在活跃集上存在且非退化。
  • 样本比例条件(A.3/C.3):\(|n_k - n\pi_k| = o(n^{1/2 - a_1})\),要求样本比例与先验概率的偏差足够小。
  • 惩罚参数条件(A.4/C.4):\(\lambda_n \sqrt{n} \geq \delta_1^{-1} \max\{\sqrt{\log(np)}, p_0 n^{a_1} \sqrt{\log(np_0)}\}\),且\(\frac{\lambda_n}{n} n^{3a_1} p_0^2 = o(1)\),\(\log p \leq \delta_1 n^{\kappa/3} (\log n)^{-1}\)。这允许p随n指数增长(当\(\kappa=2\)时,\(\log p = o(n^{2/3})\))。

相比已有文献的放宽/强化: - 放宽:不要求共同协方差矩阵(对比Huang 2015, Cai & Xia 2014),不要求指数尾条件(对比Xue & Yao 2020, Kong et al. 2022),不要求全协方差矩阵特征值一致有界(对比Kong et al. 2022的Hotelling-T²版本)。 - 强化:需要强不可表示条件(Lasso变量选择一致性的标准条件),而CQ、XY等方法不需要。

主要结果

Theorem 2.1(渐近正确大小):在sub-Weibull尾条件和适当的惩罚参数选择下,对于任意\(\alpha \in (0,1)\),有\(E_{H_0}[\psi^{(1)}_{n,\alpha}] \to \alpha\)。证明思路:在\(H_0\)下,逻辑Lasso以概率趋于1选择空集(\(\tilde{A}_n = \emptyset\)),因此检验统计量退化为\(b_1(p,n)Z_1\),其最大值分布收敛到标准极值分布。

Theorem 2.2(一致性):在正则条件(A.1)-(A.4)和beta-min条件(\(\min_{j \in A_n} |\beta_j| \geq C_2 \frac{\lambda_n}{n} n^{a_1}\))下,有\(E_{H_1}[\psi^{(1)}_{n,\alpha}] \to 1\)。当\(\lambda_n \sim \sqrt{n \log p}\)且\(a_1=0\)时,beta-min条件退化为\(\min |\beta_j| \geq C_2 \sqrt{\log p / n}\)。

Theorem 2.3(minimax最优性):在二元高斯子模型下,对于任意水平\(\alpha\)检验,minimax分离距离\(\rho^* \geq c \sqrt{\log p / n}\)。结合Theorem 2.2,本文检验达到了该下界,因此是minimax速率最优的。

Theorem 3.1(多样本推广):将两样本结果推广到K≥2总体,在类似正则条件下,检验具有渐近正确大小和一致性。

证明路线与技术技巧

整体路线(以两样本为例):

  1. Step 1: 等价性(Proposition 1):证明\(\mu_1 = \mu_2 \iff \beta = 0\),将均值检验转化为逻辑参数检验。
  2. Step 2: 变量选择一致性(VSC)(Lemma 3):证明在正则条件下,逻辑Lasso以概率趋于1正确识别活跃集(\(\tilde{A}_n = A_n\))。证明使用KKT条件和Brouwer不动点定理。
  3. Step 3: 后Lasso推断(Lemma 4-5):在VSC下,后Lasso逻辑回归估计量在活跃集上是\(\sqrt{n}\)-一致的,且其分量渐近正态。
  4. Step 4: 检验构造:定义检验统计量\(T_n^{(1)} = \sqrt{n} \hat{\beta}_n + b_1(p,n) Z_1\),其中\(Z_1\)是标准高斯随机向量,\(b_1(p,n) \to 0\)是缩放因子。在\(H_0\)下,\(\hat{\beta}_n = 0\)以概率趋于1,因此\(T_n^{(1)}\)退化为\(b_1(p,n) Z_1\),其最大值分布用于确定临界值。
  5. Step 5: 大小控制(Theorem 2.1):利用VSC证明检验水平收敛到名义水平。
  6. Step 6: 功效分析(Theorem 2.2):利用VSC和渐近正态性,证明当活跃系数足够大时,检验功效趋于1。
  7. Step 7: Minimax下界(Theorem 2.3):使用Le Cam's lemma和\(\chi^2\)散度,构造先验分布证明下界。

关键跳跃点: - 等价性证明(Proposition 1):最吃功夫的部分是证明\(\mu_1 = \mu_2 \Rightarrow \beta = 0\)。作者利用分布的对称性和评分方程的奇偶性论证,通过反证法排除非零解。这个证明在一般情形(非对称、不等先验)下更复杂,需要用到多类逻辑回归的类似论证(Proposition 2)。 - VSC证明(Lemma 3):关键跳跃点是利用Brouwer不动点定理证明KKT方程的解存在且满足\(\|\tilde{u}_n^{(1)}\|_\infty \leq C \frac{\lambda_n}{\sqrt{n}} n^{a_1}\)。这需要精细地控制多个随机项(\(\Lambda_n^{(1)}, \zeta_n^{(1)}\)等)的\(\ell_\infty\)范数。 - Minimax下界(Theorem 2.3):关键跳跃点是将\(\beta\)的稀疏性转化为\(\mu\)的稀疏性(利用高斯分布下\(\beta = \Sigma^{-1}(\mu_2 - \mu_1)\)的关系),然后利用Cai et al. (2014)的论证框架。

技术技巧点名: - Brouwer不动点定理:用于证明KKT方程的解存在且满足范数界(Lemma 3证明的核心)。 - KKT条件分析:用于刻画Lasso解的特征,推导VSC的充分条件。 - Taylor展开:用于线性化逻辑损失函数,将非线性问题转化为线性问题处理。 - Bernstein型不等式(Lemma 1):用于控制随机项的\(\ell_\infty\)范数,是sub-Weibull尾条件下的关键工具。 - Berry-Esseen定理:用于证明后Lasso估计量的分量渐近正态(Lemma 5)。 - Le Cam's lemma + \(\chi^2\)散度:用于推导minimax下界(Theorem 2.3)。

真实例子与应用

数据:两个乳腺癌基因表达数据集(GSE1456和GSE7390),来自Gene Expression Omnibus。 - GSE1456:根据Elston肿瘤分级分为Grade 1 (n1=28), Grade 2 (n2=58), Grade 3 (n3=61),p=22,283个基因。 - GSE7390:对应分组大小为n1=30, n2=83, n3=83,p=22,283个基因。

方法应用:将D3和D3op应用于三样本均值检验(比较三个肿瘤等级的基因表达均值是否相等),并与CS和HDT方法比较。

结果: - 所有方法在完整数据上均拒绝零假设(p<0.001),表明三个等级的基因表达均值存在显著差异。 - 置换检验诊断:对标签进行500次随机置换,D3、D3op和CS的拒绝比例接近0.05(名义水平),而HDT拒绝所有置换数据集(表明其在该应用中不可靠)。 - 自助法功效:在500次组内重抽样的自助数据集上,D3、D3op和CS均拒绝所有样本(功效1),表明组间分离高度稳定。 - 子抽样分析:当保留样本比例较小时(如25%),D3op的拒绝比例最高,D3次之,CS需要更大样本才能达到可比功效。这验证了自适应惩罚在小样本下的优势。 - 计算时间:D3最快(0.17-0.22秒),D3op次之(3.3-4.4秒),CS最慢(10.8-13.8秒)。HDT最快但不可靠。

这个例子想说明: - 验证了方法在超高维(p=22,283)真实数据上的计算可扩展性。 - 通过置换检验诊断,展示了D3和D3op在零假设下的良好校准(对比HDT的完全失效)。 - 通过子抽样分析,展示了D3op在小样本下的灵敏度优势。

🔎 结论是否比证明窄

  • Theorem 2.3(minimax最优性) 只在二元高斯子模型下证明,且要求\(\Sigma_{\min} \geq p_0^{-1}\)和\(\|\Sigma\|_{L_1} \leq M\)。作者在Section 2.4明确说明了这一点,但introduction中"the test also attains the minimax separation rate"的表述可能被误解为更一般的结论。实际上,minimax最优性只在非常特定的高斯设定下成立。
  • Theorem 2.2(一致性) 的beta-min条件\(\min |\beta_j| \geq C_2 \frac{\lambda_n}{n} n^{a_1}\)依赖于\(a_1\)(来自(A.2)(i)中\((E L_{11,n})^{-1}\)的\(\ell_\infty\)范数增长率)。当\(a_1 > 0\)时,该条件比\(\sqrt{\log p / n}\)更严格。作者在2.3节末尾提到当\(a_1=0\)时退化为\(\sqrt{\log p / n}\),但未讨论\(a_1 > 0\)时条件的具体含义。
  • VSC(Lemma 3) 的证明依赖于强不可表示条件(A.1),该条件在Lasso文献中是"几乎必要"的,但并非总是满足。作者在2.3节提到可以用adaptive Lasso或UniLasso来避免,但本文未采用。

四、开放问题

  1. 弱化强不可表示条件:作者提到可以用adaptive Lasso或UniLasso来避免强不可表示条件(Section 2.3),但未给出理论结果。能否在更弱的条件下(如部分正交设计)建立VSC和检验的一致性?扎根于Section 2.3:"One can drop this irrepresentable condition if one considers weighted ℓ1-penalty like the adaptive Lasso (Zou [2006]) or UniLasso (Chatterjee et al. [2025])."

  2. 非稀疏设定下的表现:本文假设判别参数\(\beta\)是稀疏的。但当均值差是稠密的(即许多变量都有微小差异)时,逻辑Lasso的变量选择一致性可能失效。能否构造一个不依赖稀疏性的检验(如基于debiased Lasso或U-统计量),同时保持计算效率?扎根于Section 1.2:"A sparse discriminative set need not correspond to a sparse mean difference, so the proposed procedure can remain effective under some dense mean alternatives."——但"some"的范围未明确。

  3. 更紧的minimax下界:Theorem 2.3的minimax下界只在高斯子模型下证明,且要求\(\Sigma_{\min} \geq p_0^{-1}\)和\(p_0 \leq M p^{1/4}\)。能否在更一般的分布(如sub-Weibull)和更弱的协方差条件下建立minimax下界?扎根于Theorem 2.3的假设条件。

  4. 自适应惩罚的理论性质:D3op使用置换法选择惩罚参数,作者在模拟中展示了其优势,但未给出理论保证(如置换法是否真的能实现VSC)。能否建立置换法选择惩罚参数的渐近性质?扎根于Section 4.1:"We instead calibrate the penalty parameter under the null hypothesis, with the aim of favoring the selection of no variables when there is no association between the covariates and the response."——但未证明这确实能实现VSC。


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